光纤通信第4章_相干光通信
光纤通信知识点归纳
第1章概述1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.8～1.8μm的波长区，对应频率: 167～375THz。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、1.31μm及1.55μm。
2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3）目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。
该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。
1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，光接收机将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机，最后由信息宿恢复用户信息。
2）光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。
3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
特性参数：灵敏度4）一般地，大容量、长距离光纤传输: 单模光纤+半导体激光器LD小容量、短距离光纤传输: 多模光纤+半导体发光二极管LED5）光纤线路系统：功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。
组成：光纤、光纤接头和光纤连接器要求：较小的损耗和色散参数3、光纤通信的特点：优点：（1），传输频带宽，通信容量大。
（2）传输损耗小，中继距离长：石英光纤损耗低达0.19 dB/km，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。
（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。
第4章光纤通信系统介绍
1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑥ 调制(驱动) • 经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进 行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码 流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。
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1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑦ 自动功率控制 • 由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源 在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的 • 为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中 常使用自动功率控制(APC)电路。
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2．光接收机
• 图4-10 时钟恢复电路方框图
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2．光接收机
• 图4-11 时钟恢复电路波形图
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2．光接收机
• 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图
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2．光接收机
• 图4-13 RZ码功率谱密度分布图
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2．光接收机
• 图4-14 一种非线性处理电路
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2．光接收机
• 图4-15 非线性处理电路中的波形图
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2．光接收机
• 图4-8 单个脉冲均衡前后波形的比较
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2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 判决器由判决电路和码形成电路构成。 • 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电 路。 • 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢 复成理想的数字信号
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2．光接收机
• 图4-9 信号再生示意图
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（1）衰减对中继距离的影响
• 一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是 光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损 耗和微弯带来的附加损耗。 • 构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包 括两大类：吸收损耗和散射损耗。 • 引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生 的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。
相干光通信技术
相干光通信技术徐飞 20114487【摘要】:随着各种新型通信技术的发展以及互联网带来的信息爆炸式增长，科学研究工作者们提出了相干光通信这一解决办法。
本文简要介绍了相干光通信的基本原理、相干光通信相对其他通信方式的优点和它所涉及的主要技术，以及在超长波长光纤通信系统中的应用等问题。
【关键词】:相干调制、外差检波、稳频、超长波长光纤引言:在光纤通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接受灵敏度，是科学研究者们永远的追求。
虽然波分复用(WDM)技术和掺铒光纤放大器(,,,,)的应用已经使光纤通信系统的带宽和传输距离得到了极大地提升但随着视频会议等一系列新的通信技术的不断发展应用和互联网普及带来的信息爆炸式增长，相干光通信技术的研究与应用显得越发的重要。
1.相干光通信的基本原理:在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术,所谓相干调制,就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅,这就需要光信号有确定的频率和相位,即应是相干光。
激光就是一种相干光。
所谓外差检测,就是利用一束本机振荡产生的激光与输人的信号光在光混频器中进行混频,得到与信号光的频[1]率、相位和振幅按相同规律变化的中频信号。
在光发射端用外光调制方式将信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上，再经过光匹配器送入光纤中进行传输，当信号光传输到光接收端时，先用一束本振光信号与之进行相干混合，然后用探测器检测。
相干光通信根据本振光信号频率与接收到的信号光频率是否相等，可分为外差检测相干光通信和零差检测相干光通信。
外差检测相干光通信经光电检波器获得的是中频信号，还需要进行二次解调才能被转换成基带信号。
外差检测相干光通信又可根据中频信号的解调方式分为同步解调和包络解调。
零差检测相干光通信的光信号经光电检波器后被直接转换成系带信号，不需要进行二次解调，但本振光频率与信号光频率要求严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。
2.相干光通信的优点:相干光通信技术充分利用了它的混频增益、信道选择性及可调性出色以及充分利用光纤通信的带宽等特点，逐步适应当前通信的巨大需求，与传统的通信系统相比，具有以下突出的优点。
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[整理]相干光通信相干光通信一、相干光通信的基本工作原理在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。
所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位(而不像自然光那样没有确定的频率和相位)，即应是相干光。
激光就是一种相干光。
所谓外差检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。
在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上进行传输。
当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号进行相干耦合，然后由平衡接收机进行探测。
相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分为外差检测和零差检测。
前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能被转换成基带信号。
后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。
相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信。
我们知道无线电技术中相干通信具有接收灵敏度高的优点，相干光通信技术同样具有这个特点，采用该技术的接收灵敏度可比直接检测技术高18dB。
早期，研究相干光通信时要求采用保偏光纤作传输介质，因为光信号在常规光纤线路中传输时其相位和偏振面会随机变化，要保持光信号的相位、偏振面不变就需要采用保偏光纤。
但是后来发现，光信号在常规光纤中传输时，其相位和偏振面的变化是慢变化，可以通过接收机内用偏振控制器来纠正，因此仍然可以用常规光纤进行相干通信，这个发现使相干光通信的前景呈现光明。
相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源，该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足波前匹配和偏振匹配的条件下，进行光电混频。
混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与信号光波的差频信号。
第4章数字光纤通信系统(1)
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3、光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：
第一阶段(1966-1976年)，这是从基础研究到商
业应用的开发时期。实现了短波长(0.85μm)低速率
(45或34Mb/s)多模光纤通信系统。
所以灵敏度也是反映光纤通信系统质量的 重要指标。
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4.2 光纤和光器件
一、光纤
1、光纤 光纤就是导光的玻璃纤维的简称, 是石英玻璃丝,
它的直径只有0.1 mm，它和原来传送电话的明线、 电缆一样，是一种新型的信息传输介质，但它比以 上两种方式传送的信息量要高出成千上万倍， 可达 到上百千兆比特/秒,而且衰耗极低。
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3. 重量轻、 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在
芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体
积也小得多。表给光缆和标准同轴电缆的重量和截
面积的比较。
表 光缆和电缆的重量和截面积比较
项目
8芯
18 芯
光缆
电缆
光缆
电缆
重量/(kg·m-1) 0.42
6.3
0.42
重量比
1
15
1
4.1 数字光纤通信系统概述
一、光纤通信发展史和现状
1、探索时期的光通信: 中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传
送信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。
1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载 波传送话音的“光电话”。光电话证明了用光波作
为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通
发射
光纤通信-重要知识点总结
光纤通信重要知识点总结第一章1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。
2.光纤：由绝缘的石英（2）材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。
3.光纤通信系统的基本组成:以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统，主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光纤通信系统既可传输数字信号也可传输模拟信号。
输入到光发射机的带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。
系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。
光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制，可以省去调制器。
光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
它一般由光电检测器和解调器组成。
光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介，将光信号由一处送到另一处。
中继器分为电中继器和光中继器（光放大器）两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。
为提高传输质量，通常把模拟基带信号转换为频率调制、脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号，最后把这种已调信号输入光发射机。
还可以采用频分复用技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带有信息的信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。
在这个过程中，受调制的电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用技术。
目前大都采用强度调制与直接检波方式。
又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。
数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。
发送端的电端机把信息进行模数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件，则就会发出携带信息的光波，即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”。
《光纤通信基础》习题及答案
光栅技术
第二章部分
2.1、光纤的结构由哪几部分组成？各有什么作用？ 答：光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的 折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射 面和光隔离，并起一定的机械保护作用。 2.2、简述光纤的类型包括哪几种以及各自特点？ 解：实用光纤主要有三种基本类型： 1）、突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF）， 纤芯折射率为 n1 保持不变，到包层突然 变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a=50~80 μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播， 特点是信号畸变大。 2）、渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF）， 在纤芯中心折射率最大为 n1，沿径向 r 向外围逐渐变小，直到包层变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a 为 50μm，光线以正弦形 状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 3）、单模光纤（Single Mode Fiber, SMF），折射率分布和突变型光 纤相似，纤芯直径只有 8~10 μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光 纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 2.3、色散的产生以及危害？ 答：由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号能量的各种模式成分，在传输过程中， 因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散；光纤色散 的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。 2.4、光缆的结构分类？ 答：(1) 层绞式结构：层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。 (2) 骨架式结构：架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V 形、U 形 或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置 5~10 根一次涂覆光纤。 (3) 束管式结构：束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整 个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。 (4) 带状式结构：带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后 将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。 2.5、光缆的种类？ 答：根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用
相干光通信技术
式中, AL为本振光的幅度、ωL为本振光的频率φL为本振光的相位。 保持信号光的偏振方向不变，控制本振光的偏振方向， 使之与信号光的偏振方向相同。
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2.相移键控(PSK)
基带信号只控制光载波的相位变化，称为相移键控(PSK)。 PSK的光场表达式为： ES(t)=AScos［ωSt+φ(t)］ (7.35) 在PSK中，AS保持不变，只对相位进行调制。传输“0”码和传输“1”码时，分别用两个不同相位(通常相差180)表示。 如果传输“0”时，光载波相位不变，传输“1”码时，相位改变180，这种情况称为差分相移键控(DPSK)。 与ASK使用的MZ干涉型调制器相比，设计PSK使用的相位调制器要简单得多。这种调制器只要选择适当的脉冲电压，就可以使相位改变δφ=π。但是在接收端光波相位必须非常稳定，因此对发射和本振激光器的谱宽要求非常苛刻。
图7.39 干涉后的瞬时光功率变化
图7.39 干涉后的瞬时光功率变化
由此可见，中频信号功率分量带有信号光的幅度、频率或相位信息。在发射端，无论采取什么调制方式，都可以从接收端的中频功率分量反映出来。所以，相干光接收方式是适用于所有调制方式的通信体制。 相干检测有零差检测和外差检测两种方式。
图7.42 外差异步解调接收机方框图
光检
测器
带通
本振光
w
L
信号光
w
S
低通
基带信号
包络
检波
7.5.3 误码率和接收灵敏度 相干光通信系统光接收机的性能可以用信噪比(SNR)定量描述。 系统总平均噪声功率(均方噪声电流)为：
式中, 和 分别为散粒噪声功率和热噪声功率，e为电子电荷，Id为光检测器暗电流，B为等效噪声带宽，kT为热能量，RL为光检测器负载电阻，I为光电流，由式(7.31)或式(7.32)确定。
光纤通信复习
新型的G.
光纤损耗的计算: Loss= P i / P o 谱线宽 20-50nm
调制是用数字或模拟信号改变载波的幅度、频率或相位的过程。
P i — 为输入功率 即：L(km)= （Pout-Prec-Ac-Pm）/Af
发散角大，与光纤的耦合效率低 （5-10%）
P o —为输出功率
常以分贝dB来表示 Ltot 所有损耗
DWDM技术 DWDM当前水平：
目前1.6Tbit/s WDM系统已经大量商用。
100km 10.9Tbit/s（273x40Gbit/s） 50GHz S、C和L波段
100km 10.2Tbit/s（256x40Gbit/s）交替75和 50GHz ，C和L波段
CWDM技术 技术参数：
波长组合：三种，即4、8和16个 波长通路间隔：20nm 允许波长漂移±6.5nm
LD特点 ： 受激辐射、相干光、谱线窄、功率高 发光面小、发散较小，与光纤耦合效率高 寿命和可靠性比LED稍低
Table - Comparison of LEDs and Lasers
Characteristic
LEDs
Lasers
Output Power
Pr=10 μW=10log(10μ W/1mW)
<0.1
光检测器和光接收机
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导 体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（本征 层）。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形 成一个很宽的耗尽层。这样可以提高其响应速度和 转换效率。
PIN光电二极管的优点
提高了响应速度
提高了长波的量子效率
噪声小
APD光电二极管 雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche
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非线性光学部分介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以至于更高次项有关，这种关系称为非线性。
凡是与非线性有关的光学现象称为非线性光学现象，属于非线性光学的研究内容。
非线性光学一方面研究光辐射在非线性介质中传播时由于和介质的非线性相互作用自身所受的影响，另一方面则研究介质本身在光场作用下所表现出的特性。
在光通信中，主要是进入高速通信，10g，尤其是40G，随着入纤光功率的增强，非线性效应逐渐显现，系统设计必须加以考虑这方面的影响，于是在40G里面变出现了形形色色的编码。
以下切入正题1、《Nonlinear Fiber Optics》和《Applications of Nonlinear Fiber Optics》Agrawl ，这2本书从书名大家应该也可以看出是偏重于光纤通信应用的，目前第一个已经到第四版，第二个为第二版了，包括中译本，论坛都有，大家可以搜索下就可以都看到了。
/viewthread. ... =nonlinear%2Boptics/viewthread. ... =nonlinear%2Boptics2、Boyd W.R的《nonlinear optics》3rdW. Boyd教授在2002年被任命为Rochester大学M. Parker Givens Professor of Optics，lz发的应该是第二版，该书1992年第一版，第二版在第一版的基础上增加了很多新内容，并对以前的内容做了不少修订，在2008年的4月，该书又出了第三版。
整体来说，该书内容比较深，学校里的高年级研究生和一般研究人员可参考。
W.Boyd今年5月份曾代表美国光学学会来南京开会下载链接：/viewthread. ... =nonlinear%2Boptics3、华裔学者沈元镶的《非线性光学原理》沈是这方面非常牛b的，他的导师算是非线性光学方面的开创者吧，并因此获得了诺贝尔奖。
光纤通信复习重点
光纤通信复习重点题型：填空、选择、判断30’、问答40’、计算30’第一章概论光纤通信的优点☆☆1）容许频带很宽,传输容量很大2）损耗很小,中继距离很长,且误码率很小3）重量轻,体积小4）抗电磁干扰性能好5）泄露小,保密性能好6）节约金属材料,有利于资源合理使用光纤通信系统的基本组成作用：1）信息源：把用户信息转换为原始电信号,这种信号称为基带信号2）电发射机：把信息源传递过来的模拟信号转换成数字信号PCM3）光发射机：把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术吧光信号最大限度地注入光纤线路;4）光纤线路：把来自光发射机的光信号,以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机; 5）光接收机：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号,并经其后的电接收机放大和处理后恢复成基带电信号;光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成,光检测器是光接收机的核心;光接收机最重要的特性参数数灵敏度；6）电接收机：把接收的电信号转换为基带信号,最后由信息宿恢复用户信息；说明：光发射机之前和光接收机之后的电信号段,光纤通信所用的技术和设备和电缆通信相同,不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输；注：计算题3个,全来自第二第三章的课后习题第二章光纤和光缆光纤结构光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝;相对折射率差典型值△=n1-n2/n1,△越大,把光能量束缚在纤芯的能力越强,但信息传输容量确越小光纤类型三种基本类型图突变型多模光纤：纤芯折射率为n1保持不变,到包层突然变为n2;这种光纤一般纤芯直径2a=50~80 μm,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变大;渐变型多模光纤：纤芯中心折射率最大为n1,沿径向r向外围逐渐变小,直到包层变为n2;这种光纤一般纤芯直径2a为50μm,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变小;单模光纤：折射率分布和突变型光纤相似,纤芯直径只有8~10 μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播;因为这种光纤只能传输一个模式两个偏振态简并,所以称为单模光纤,其信号畸变很小;光纤传输原理 展宽 衰减的原因 1）突变型多模光纤2）数值孔径：定义临界角θc 的正弦为数值孔径NANA 表示光纤接收和传输光的能力,NA 或θc 越大,光纤接收光的能力越强,从光源到光纤的耦合效率越高;对于无损耗光纤,在θc 内的入射光都能在光纤中传输;NA 越大,纤芯对光能量的束缚越强,光纤抗弯曲性能越好;但NA 越大经光纤传输后产生的信号畸变越大,因而限制了信息传输容量; 时间延迟:这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽,或称为信号畸变;由此可见,突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后,其时间延迟不同而产生的; 3）渐变型多模光纤 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点; 自聚焦效应：不同入射角相应的光线,虽然经历的路程不同,但是最终都会聚在同一点上;渐变型多模光纤具有自聚焦效应,不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上,而且这些光线的时间延迟也近似相等; 光纤传输的波动理论 单模光纤的模式特性 1单模条件和截止波长传输模式数目随V 值的增加而增多;当V 值减小时,不断发生模式截止,模式数目逐渐减少;特别值得注意的是当V<时,只有HE11LP01一个模式存在,其余模式全部截止;HE11称为基模,由两个偏振态简并而成;由此得到单模传输条件为可以看到,对于给定的光纤n1、n2和a 确定,存在一个临界波长λc,当λ<λc 时,是多模传输,当λ>λc 时,是单模传输,这个临界波长λc 称为截止波长; 2）光强分布和模场半径通常认为单模光纤基模 HE11的电磁场分布近似为高斯分布 Ψr=Aexp式中,A 为场的幅度,r 为径向坐标,w0为高斯分布1/e 点的半宽度,称为模场半径; 3）双折射把两个偏振模传输常数的差βx-βy 定义为双折射Δβ, 通常用归一化双折射β来表示∆≈-=212212n n n NA ∆≈==∆cL n NA c n L c n L c 12121)(22θτ405.222221≤-n n a λπ])([2w r -ββββββ)(y x -=∆=式中, =βx+βy/2为两个传输常数的平均值;把两个正交偏振模的相位差达到2π的光纤长度定义为拍长Lb= 光纤传输特性损耗和色散是光纤最重要的传输特性;损耗限制系统的传输距离,色散则限制系统的传输容量;☆☆☆☆☆三种色散模式色散是由于不同模式的传播时间不同而产生的,它取决于光纤的折射率分布,并和光纤材料折射率的波长特性有关;材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变,以及模式内部不同波长成分的光实际光源不是纯单色光,其传播时间不同而产生的;这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度;波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的,它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差;说明：色散对光纤传输系统的影响,在时域和频域的表示方法不同;从频域上看,色散限制了传输信号的带宽；从时域上看,色散引起信号脉冲的展宽; 理想的单模光纤没有模式色散,只有材料色散和波导色散;材料色散和波导色散总称为色度色散,常简称为色散,它是传播时间随波长变化的产生的;光纤损耗光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离;在最一般的条件下,在光纤内传输的光功率P 随距离z 的变化,可以用 表示;α是损耗系数;吸收损耗：由SiO 2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的;散射损耗：主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起; 光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为： α= +B+CW λ+IR λ+UV λA 为瑞利散射系数,B 为结构缺陷散射产生的损耗,CW λ、IR λ和UV λ分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗; 第三章 通信用光器件 光源光源是光发射机的关键器件,其功能是把电信号转换为光信号;半导体激光器是向半ββ∆2apdz dp -=4λA导体PN 节注入电流,实现粒子数反转分布,产生受激辐射,在利用谐振腔的正反馈,实现光放大而产恒激光震荡的;工作原理：半导体激光器是向半导体PN 结注入电流实现粒子数翻转分布,产生受激辐射,实现光放大,在利用谐振腔的正反馈而产生激光振荡的;基本结构：结构中间有一层厚~ μm 的窄带隙P 型半导体,称为有源层；两侧分别为宽带隙的P 型和N 型半导体, 称为限制层;三层半导体置于基片衬底上,前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗FP 谐振腔; 三种跃迁：受激吸收：处于低能级E1的电子,在入射光作用下,它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上；自发辐射：在高能级E2的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量转换为光子辐射出去；受激辐射：在高能级E2的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量产生光辐射； 能级跃迁：电子在E1和E2两个能级之间跃迁,吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件,即 E2-E1=hf 12,其中 h=×10-34J ·s,为普朗克常数,f 12为吸收或辐射的光子频率； 受激辐射和自发辐射光的区别：它们的特点很不相同;受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,这种光称为相干光;自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的,其频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是混乱的,这种光称为非相干光; 粒子数分布：低能级E1和处于高能级E2E2>E1的原子数分别为N1和N2;当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布)12(exp 12kTE E N N --=k=10-23为玻尔兹曼常数,T 为热力学温度 N1>N2,即受激吸收大于受激辐射;当光通过这种物质时,光强按指数衰减, 这种物质称为吸收物质；正常状态N2>N1,即受激辐射大于受激吸收,当光通过这种物质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质;粒子数反转分布 如何实现粒子数反转分布：半导体激光器是向半导体PN 结注入电流,实现粒子数反转分布；发射波长：半导体激光器的发射波长取决于倒带的电子跃迁到价带时所释放的能量;这个能量近似等于禁带宽度；EgEg24.1hc ==λ不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg,所以有不同的发射波长光谱特性：随着驱动电流的增加,纵模模数逐渐减少,谱线宽度变窄； 随着调制电流增大,纵模模数增多,光谱密度变宽; 弛张频率：弛张频率f r 是调制频率的上限,在接近f r 处,数字调制要产生弛张震荡,模拟调制要产生非线性失真;温度特性：激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流I th 随温度升高而增大,二是外微分量子效率ηd 随温度升高而减小;温度升高时,I th 增大,ηd 减小,输出光功率明显下降,达到一定温度时,激光器就不激射了;当以直流电流驱动激光器时,阈值电流随温度的变化更加严重;当对激光器进行脉冲调制时,阈值电流随温度呈指数变化,在一定温度范围内,可以表示为)ex p(00th T T I I =I 0为常数,T 为结区的热力学温度,T 0为激光器材料的特征温度 发光二极管 对应的看看就可以发光二极管LED 的工作原理与激光器LD 有所不同, LD 发射的是受激辐射光,LED 发射的是自发辐射光;发光二极管的优点：和激光器相比,发光二极管输出光功率较小,谱线宽度较宽,调制频率较低;但发光二极管性能稳定,寿命长,输出光功率线性范围宽, 而且制造工艺简单,价格低廉; 光检测器光电二极管工作原理光电效应光电效应：在PN 结界面上,由于电子和空穴的扩散运动,形成内部电场;内部电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动,最终使能带发生倾斜, 在PN 结界面附近形成耗尽层;在耗尽层,会形成光生漂移电流;在中性区会形成光生扩散电流;当与P 层和N 层连接的电路断开时,便会在两端产生电动势;说明:光生漂移电流分量和光生扩散电流分量的总和即为光生电流； 光无源器件小知识点 考小题 无计算 连接器：实现光纤与光纤之间可拆卸连接 接头：实现光纤与光纤之间的永久性连接光耦合器：把一个输入的光信号分配给多个输出,或者把多个输入的光信号复合成一个输出;分为：T 型耦合器.星型耦合器.定向耦合器.波分复用器/解复用器光隔离器：非互易器件,只允许光波向一个方向上传输,阻止光波往其他方向特别是反方向传播;环形器：有多个接口的光隔离器；外调制器：为了解决直接调制激光器会产生线性调频的问题；光开关：转换电路,实现光交换;光发射机光发射机基本组成相应的模块对光源有什么要求、电路的作用☆☆对光源的要求：简单题1号嫌疑犯1发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致,即中心波长应在μm、μm和μm附近;光谱单色性要好,即谱线宽度要窄,以减小光纤色散对带宽的限制;2电/光转换效率要高,即要求在足够低的驱动电流下,有足够大而稳定的输出光功率,且线性良好;发射光束的方向性要好,即远场的辐射角要小,以利于提高光源与光纤之间的耦合效率;3允许的调制速率要高或响应速度要快,以满足系统的大传输容量的要求;4器件应能在常温下以连续波方式工作,要求温度稳定性好,可靠性高,寿命长;5此外,要求器件体积小,重量轻,安装使用方便,价格便宜;发射机的电路部分：作用：电路的设计应该以光源为依据,使输出光信号准确反映输入电信号；对调制电路和控制电路的要求：1)输出光脉冲的通断比应大于10,以保证足够的光接收信噪比;2)输出光脉冲的宽度应远大于电光延迟时间,光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短,以便在高速率调制下,输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形.3)对激光器应施加足够的偏置电流,以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡,保证发射机正常工作;4)应采用自动功率控制APC和自动温度控制ATC,以保证输出光功率有足够的稳定性; 线路编码电路必要的原因：因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码,而光源不能发射负脉冲;调制特性效应小知识码型效应：当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时,会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄,幅度减小,严重时可能使单个“１”码丢失,这种现象称为“码型效应”；码型效应的特点：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码,其脉冲明显变小,而且连“0”码数目越多,调制速率越高,这种效应越明显;可以采用“过调制”补偿方法,消除码型效应；弛张震荡：当电流脉冲注入激光器后,输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的震荡; 自脉动现象：某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下,当注入电流达到某个范围时,输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡,这种现象叫做自脉动现象；温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流I th 和外微分量子效率ηd 产生温度升高,阈值电流增加,外微分量子效率减小,输出光脉冲幅度下降； 光接收机 ☆☆☆☆☆☆器流对光检测器的要求：1）波长相应要和光纤低损耗窗口μm,μm 和μm 兼容；2）响应度要高,在一定的接收光功率下,能产生尽可能大的光电流； 3）噪声要尽可能低,能接收微弱光信号,； 4）性能稳定,可靠性高,寿命长,功耗和体积小; 均衡的目的是：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变的电信号进行补偿,使输出信号的波形适合于判决,以消除码间干扰减小误码率;灵敏度的定义：在保证通信质量的条件下,光接收机所需的最小平均接收光功率P min ,并以dBm 为单位;计算公式：定义公式：Pr=10lg 理想光接收机灵敏度：Pr=10lg)](10)min([3dBm w P -><λη2bnhcf基本概念：因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声,只要有光信号输入,就有量子噪声存在； 光接收机的噪声包括光检测器的噪声量子噪声、暗电流噪声、APD 附加噪声、电阻热噪声和前置放大器的噪声; 线路编码有什么要求数字光纤通信系统对线路骂醒的主要要求是保证传输的透明性,具体要求是： 1）能限制信号带宽,减小功率谱中的高低频分量; 2）能给光接收机提供足够的定时信息;3）能提供一定的冗余度,用于平衡码流、误码监测和公务通信;但对高速光纤通信系统,应尽量减小冗余度,以免占用过大的带宽;常用的线路码型为：扰码、mBnB 码和插入码; 第四章 数字光纤通信同步数字系列SDH 帧结构 作用因素 图 简答题2号嫌疑犯字节发送顺序：由上往下发 每行先左后右1）段开销SOH 又可分为再生段开销SOH 和复接段开销LOH 2）信息载荷Payload 3）管理指针单元AU-PTRSDH 环形网的一个突出优点是“自愈”能力; 系统的性能指标 小知识点 掌握为进行系统性能研究,ITU-T 建议中提出了一个数字传输参考模型,称为假设参考连接HRX ；假设参考数字链路HRDL数字光纤通信系统的主要性能指标有：传输速率,误码率,抖动和可靠性 系统的设计往年有计算,今年没有,但有小知识点12345…9顺序数字光纤通信系统设计的主要任务是确定中继距离,一般采用最坏情况设计法来确定中继距离;在光纤传输中,中继距离不但受到光纤损耗限制,而且还受到光纤色散的限制;第七、八章讲过的一些小知识点,你大爷,哪些讲过,臣妾不知道哇1参饵光纤放大器工作波长正好与光纤的最佳波长一致,增益高、噪声系数小、频带宽,在光纤通信系统中可以作为中继放大器,前置放大器和后置放大器;2光波分复用增加了光纤的传输容量,降低了成本；3光交换目前主要有两种方式：空分交换和波分交换4目前光通信系统采用光强调制——直接检测的方式；5相干光通信在接收端采用零差检测或外差检测;6SDH技术的最大优势在于组网上,它的传送网通常采用线形、星形、树形、环形和网孔形拓扑结构;7SDH的特色之一是能利用ADM构成环形自愈网,自愈网结构分为两类：通道倒换环和复用段倒换环;8建议将光传送网分为光通道层OCH、光复用段层OMS和光传输层OTS;9WDM光网络的结点主要有两种功能,即光波长信道的分插复用功能和交叉连接功能,实现这两种功能的网络元件是：OADM和OXC;。
相干光通信
3. 3 相移键控(PSK)调制：
信号电场为
Es t As cosIF t s t
（3-3）
只调制相位，频率、幅度保持不变。
实现PSK调制的方式：
LiNbO3电光外调制器：通过改变电光晶体的折射率改变光 的相位
检测后的信号SNR，BER都是几种调制方式中最好的
4. 相干光通信解调方案
1 P0 1 1 2 P1 0 1 I ID I I1 2 1 - exp 2 12 dI 2 erfc 2 1
ID
(2-14a) （2-14b）
0
I D I0 I I 0 2 1 I D exp 2 02 dI 2 erfc 2 0 2
相干光通信
1. 2. 3. 4. 5. 为什么要相干光通信？ 相干检测原理与特性 相干光通信调制方式 相干光通信解调方案 相干接收系统的关键技术
1. 为什么要相干光通信
1. 1 核心在于相干光检测----技术优势
与传统的强度调制----直接检测(IM/DD)相比，因为通过检测
本振和信号光的差来提高接收的灵敏度。 IM/DD----尺子；相干光检测----游标卡尺；
2. 1 零差相干光检测
IF s L 0 ，光电流为 I RPs PL 2R Ps PL coss L
可得出信号 （2-4）
PL Ps ，而信息处于 Ps 中，滤掉几乎是直流成分的第一项
I s t 2R P PL s
4 4PL Ps 倍，电功率（电流的平方）提高了 PL Ps
滤掉直流成分的第一项可得出信号
I s t 2R Ps PL cosIF t s L
光通信技术课后答案-第四章
第4章光检测器与光放大器
代高凯201027209 通信103班
4-8.EDFA的泵浦方式有哪些，各有什么优缺点？
答：目前商用化的光放大器一般都采用如下3中泵浦方式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
①同向泵浦——优点：构成简单、噪声性能较好；
缺点：在同样的泵浦方式下，同向泵浦光的输出最低。
②反向泵浦——优点：当光信号放大到很强的时候，泵浦光也强，不易达到饱和，
因而具有较高的输出功率；
缺点：随着输出功率或者光线长度的增加，反向泵浦的噪声系数
递增较快且比另外两种方式较大；
③双向泵浦——优点：这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使得泵浦光
在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中也均匀分布。
这种配置具有更高的输出信号功率，最多可以比上述单向
泵浦型高6dB，而且EDFA的性能与信号传输方式无关；
缺点：由于增加了一个泵浦激光器及相应的控制电路，成本较高。
4-12.EDFA在光纤通信系统中的应用形式有哪些？
答：EDFA在光纤通信系统中的应用形式可以分为3种：
①中继放大器（LA）—在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。
②前置放大器（PA）—此放大器置于光接收机前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度，作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。
③后置放大器（BA）—此放大器置于光发射机后面，以提高发射光功率，对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。
《光纤通信》第4章 复习思考题参考答案
第4章 复习思考题参考答案4-1 简述半导体发光基理答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.1所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
能带差E ∆和发出光的振荡频率o v 之间有hv E =∆的关系，h 是普朗克常数，等于6.625?10?34 J ?s ?。
由c vλ=得出1.2398hc E Eλ==∆∆（?m ） （4.2.1） 式中，c 为光速，E ∆取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特（eV ）。
图4.2.1 半导体发光原理4-2 简述激光器和光探测器的本质区别答：发光过程，除自发辐射外，还有受能量等于能级差hv E E E =-=∆v c 的光所激发而发出与之同频率、同相位的光（激光），即受激发射，如图4.2.2（b ）所示。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。
在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子，使光能转变为电流，如图4.2.2（c ）所示，这就是光接收器件。
4-3 自发辐射的光有什么特点答：对于大量处于高能带的电子来说，当返回v E 能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。
因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。
同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，这些光波的波长并不完全一样。
因此自发辐射的光是一种非相干光，如图4.2.2（a ）所示。
4-4 受激发射的光有什么特点答：受激发射生成的光子与原入射光子一模一样，即它们的频率、相位、偏振方向及传播方向都相同，它和入射光子是相干的。
《相干光通信系统》课件
相干光通信的应用场景
长距离通信
相干光通信系统具有较高的接收灵敏度和选择性，能够实现长距离 的光信号传输，适用于跨洋光缆通信等长距离通信场景。
高速数据传输
相干光通信系统能够支持高速数据传输，如40Gbps、100Gbps甚 至更高速率的传输，适用于数据中心、云计算等高速数据传输场景 。
复杂环境下的通信
可靠性
可靠性是指相干光通信系统在正常工作过程中出现故障的概率。为了提高可靠性，系统需要具备故障检测和恢复 能力，同时需要采用高可靠性的设备和部件。
04
相干光通信系统的优势与挑战
优势分析
高传输速率
相干光通信系统采用相位和频 率调制，可以实现更高的数据 传输速率，满足高速通信需求
。
长距离传输
相干光通信系统具有较低的噪 声和较大的动态范围，可以实 现更长距离的信号传输。
相检测技术
相干检测原理
利用光信号的相位和频率信息进行检测，能够获取更高的灵敏度 和分辨率。
相干检测的优势
相比传统的直接检测技术，相干检测技术具有更高的接收灵敏度 和更强的抗干扰能力。
相干检测的实现方式
包括平衡接收、差分接收和单端接收等几种方式。
数字信号处理技术
1 2
数字信号处理技术的原理
利用数字信号处理算法对接收到的信号进行处理 和分析，以改善信号质量、纠正误码和优化传输 性能。
随着技术的不断发展， 相干光通信系统的集成 化和小型化程度将进一 步提高，便于携带和部 署。
高效能调制格式
研究更高效能、更高速 率的调制格式，以提高 相干光通信系统的传输 性能。
智能化与自动化
通过引入人工智能和自 动化技术，实现相干光 通信系统的智能化和自 动化管理，提高系统的 稳定性和可靠性。
光纤通信中的相干光通信技术研究
光纤通信中的相干光通信技术研究近年来，随着信息社会的发展，通信技术得到了广泛的应用和发展。
作为一种高速、稳定、可靠的传输介质，光纤通信技术在实现长距离、大容量、高速率通信方面具有独特的优势。
而相干光通信技术作为其中的一种重要技术，正逐渐成为光纤通信领域的研究热点。
相干光通信技术利用光的相位和振幅信息进行传输，通过相位调制和解调技术，能够实现高速率、大容量的信号传输。
相干光通信技术在传输距离、传输速率和抗干扰能力方面都有出色的表现。
下面我们将对光纤通信中的相干光通信技术进行探讨和研究。
首先，相干光通信技术在光纤通信系统中的物理层传输中具有较高的容量和传输效率。
在光通信中，信息的传输速率主要受限于光信号的调制速率和解调速率。
相干光通信技术可以实现高速率的相位调制和解调，大大提高了光信号的传输速率。
相干光通信技术的高容量传输还可以通过多通道技术来实现，进一步提高通信系统的容量和效率。
其次，相干光通信技术在光纤通信系统中具有较长的传输距离。
光信号在光纤中传输时，会受到损耗和失真的影响，传输距离有限。
相干光通信技术通过使用相干检测和相干信号处理技术，可以有效地抑制光信号的衰减和失真，延长光信号在光纤中的传输距离。
通过研究和应用相干光通信技术，可以实现长距离的光纤通信，使通信网络的覆盖范围更广。
此外，相干光通信技术在光纤通信系统中还具有较强的抗干扰能力。
在光通信中，光信号会受到多种干扰，如光纤的损耗、光纤的非线性效应和光信号的散射等。
这些干扰会导致光信号的衰减和失真，影响传输质量和可靠性。
相干光通信技术通过对光信号的相位进行精确调控和解调，可以有效地抑制干扰，提高光信号传输的可靠性和质量。
最后，相干光通信技术在光纤通信系统中还可以实现信号的调制和解调的光电一体化。
这种光电一体化的技术可以减少光信号传输过程中的损耗和失真，并且可以简化光纤通信系统的结构。
相干光通信技术利用光的相位和振幅信息直接进行信号的调制和解调，简化了光信号传输过程中的中间环节，使得光纤通信系统更加紧凑和高效。
相干光纤通信系统简介
３２ 分 集 接 收 技 术 ． ３２１ 相 位 分 桌接 收 方 式
最 大优 点 是 可 以利 用 半 导 体激 光 器 注 入 电流 进 行 频
率 调制 ， 而且 可根 据 光 源 线宽 的不 同 ， 择不 同 的解 选 调 方式 。尤 其是 Ｃ Ｆ Ｋ方 式 ， 的接 收灵 敏度 高 ， ＰＳ 它 几 乎 等于 Ｄ ｓ Ｐ Ｋ系统灵 敏度 。 ３４ 高 性能 的无 源光器 件 ．
增加 了本 地振 荡光 源 。 当本振 光波 的频率 与 信号 光渡
的频 率 之 差 为一 定 值 时 ． 过 程 称为 外 差 接 收 ； 该 当本 振 光 波 的频 率 和相 位 与信 号光 波 的频 率 和 相 位相 同 时， 称为零 差接 收 。 它们 的根本 点是外 差 检测 。 但 外差
经 放 大 、 波 和解 调后 ， 人 接 收 电端机 。 对于 Ｉ 滤 送 Ｍ／
在相 干光 通 信 系统 中 ， 引起 灵敏 度 下降 的一 个重 要 因素 是信号 光 和本 振光 源 的相 位噪声 。 了降低 相 为 位 噪声， 干 光通信 系 统 中必 须采 用 谱线 窄（ 线越 在相 谱
功率 。而在 相 干光 通 信系统 中 ， 中频信 号 电流 的平 方
正 比于信号 光功 率 与本振 光功 率之积 。 由于本振 光 功
率远 大于信 号 光 功率 ，所 以通 过提 高 本振光 功 率 ， 使
混频后的中频信号得到了增益 ， 使接收机的灵敏度大
大提高 。而 且 由于 增 加 了本振 光 源 ， 以方 使地 选择 可
测。
关键词 ： 干光纤通信 相
调 制 解调
Ａ Ｋ Ｐ Ｋ Ｓ Ｓ
光纤通信第四版课后答案张德民胡庆
光纤通信课后答案第一章基本理论1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么?答:当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即O<V<2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。
2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响?答:在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离;光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
3、光纤中有哪几种色散?解释其含义。
答: (1）模式色散:在多模光纤中存在许多传输模式，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，而产生了模式色散。
(2）材料色散:由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此引起的色散称为材料色散。
(3）波导色散:统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。
5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响?答:光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面可引起传输信号的附加损耗，波分复用系统中信道之间的串话以及信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。
6、单模光纤有哪几类?答:单模光纤分为四类:非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤。
7、光缆由哪几部分组成?答:加强件、缆芯、外护层。
*、光纤优点:巨大带宽(200THz)、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。
*、光纤损耗:光纤对光波产生的衰减作用。
引起光纤损耗的因素:本征损耗、制造损耗、附加损耗。
*、光纤色散:由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。
引起光纤色散的因素:光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。
色散种类:模式色散(同波长不同模式)、材料色散(折射率)、波导色散(同模式，相位常数)。
光纤通信简明教程参考答案
光纤通信简明教程参考答案第一章习题1-1 什么是光纤通信?目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤,它是工作在电磁波的哪个区?波长范围是多少?对应的频率范围是多少?光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。
它是工作在近红外区，波长为0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。
1-2 试画出光纤通信系统组成的方框图。
一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。
1-3 通信系统的容量用BL积表示，B和L分别是什么含义?系统的通信容量用比特率—距离积表示，B为比特率，L为中继间距。
1-4 光纤通信的主要优点是什么?光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。
(1) 通信容量大(2) 中继距离远(3) 抗电磁干扰能力强，无串话(4) 光纤细，光缆轻(5) 资源丰富，节约有色金属和能源。
光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。
因而经济效益非常显著。
1-5 请查阅最新资料论述光纤通信的发展趋势。
略第二章习题2-1 一个频率为14106⨯Hz 的光源，其发射功率为10W ，它一秒内发射多少个光子?解： 191434141052.210610626.610106,10⨯=⨯⨯⨯==⨯==-ννh P N HzW P2-2 如下两种光纤，临界角满足什么条件可以保持光在纤芯中传播?（1） 对于石英光纤，纤芯的折射率48.11=n ，包层的折射率46.12=n 。
（2） 对于塑料光纤，纤芯的折射率495.11=n ，包层的折射率402.12=n 。
解：由 12sin n n c =ϑ 得 121sin n n c -=ϑ （1）︒==-57.8048.146.1sin 1c ϑ （2）︒==-94.73495.1402.1sin 1c ϑ2-3 一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。
相干光通信
l仁 平 日干
自动 偏 振 控 制 方法
。
(3 )
,
偏 振 分 集接 收
第 一 种方
作相 I
相 !
丁
二
~ 9%
.
法光纤 造价 昂贵
目 前实 验 中 采 用 的 是 后 两 种
( 杨 同友
:
2 2 6 ,石
相 l
二
P SK
.
0 3 1%
李 先源 )
,
。
为 了 提
然煮
口 叮 {日!
.
实验 单位 } 传 输码 速
NT T
400入 I b
/ s
男 契 接 收 机 灵敏 度
F S K F S K
F S K D PS K F S K D PS K
高 光 接收 机 的灵 敏 度 光 谱 宽度
不同
,
相 千 光 通 信要 求 很 窄的
,
不 同 的 调 制方 式 对 光 源 谱 宽 的 要 求
P SK
的 灵 敏 度最 高 ;
,
允 许人 纤 光 功 率 大
,
) 等 非线 性 由 于 存在受激喇 曼 散射 ( S R S ) 和 受 激 布 里 渊 散射 ( S B s 人纤 光功率 一般 不能超过
;
,
效 应 的影 响
在 直接 强 度调 制 系 统 中
1。 。 m
6 m
w
而 目 前 卜导体 激 尤
,
提 高
,
频率 的 利 用 率
与 现 有 系 统相 比
、
传 输容 量 至 少 可 提 高
,
10
倍
。
相干光 通 信的研究 始于 6 0 年代
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异步ASK外差
散粒噪声为主
•异步FSK
1 SNR exp( ) 2 4 NP 1 BER exp( ) 2 2 BER
• 异步DPSK
异步FSK外差
散粒噪声为主
1 BER exp( N P ) 2
异步DPSK外差
散粒噪声为主
•异步外差相干接收的灵敏度 对比表 BER<10-9
PL 1mW : s2 2 1013 , T2 1.6 1012 , I2 3.11012
I2 T2 s2，BER 109 , Ps 38dBm,
BER 107 , Ps 40dBm
PL 0.1mW : s2 2 1014 , T2 1.6 1012 , I2 3.11014
调制格式 灵敏度 光子数 NP
ASK
FSK
DPSK
IM/DD
40
40
20
10
4.4 噪声及性能影响
• 相位噪声的影响
线宽与比特率的比值/Rb描述相位噪声对相干光通信系统的影响
零差
接收机对线宽要求最严，并与锁相环设计密切相关，典型的
容限值为/Rb为10-4量级。对于2.5Gbps的系统一般要求，激光光
源线宽达到kHz量级。
外差
接收机对激光线宽要求远低于零差接收机。同步外差接收
机要求/Rb为10-3量级。相比而言，异步ASK和FSK接收机， /Rb可超过0.1。对于2.5Gbps的系统，通常对光源线宽要求达 到1MHz量级。
• 强度噪声的影响
P (RIN) I 10lg 1 L h
EL AL exp iLt L
相干光信号的功率
P ES E L
2
Pt PS PL 2 PS PL cosIF t S L
光电检测得到的光电流
I t RP R( PS PL ) 2R PS PL cosIF t S L
E1
RL
ES
0° 180° 90° 光移相 混频器
E2
u1
I支路
基带信号
E3
E4
RL u2
Q支路
ELO
90° 路滤波器
Costas环可以处理模拟与数字信号，其激光器线宽要求较低为=5.02×104Rb
OPLL和BPSK零差光接收模块
Costas 光锁相环
90°Hybrid 光学设计
第4章 相干光通信技术
相干光通信的原理 调制与解调
误码率与灵敏度
噪声及性能影响
相干光通信系统的性能
4.1 基本原理和构成
光纤
光电检测器
后处理
激光调制
放大
(a) 直接检测 光纤 光电检测器 后处理
激光调制
中频放大
本振光 (b) 相干检测
相干光通信原理
信号光与本振光可表示为
ES AS exp iS t S
P 90 P 270 2 ELO ES sin( (t ))
I R( P0 P 180 ) 2 R P LO P S cos( (t ))
I1 2 R PLO PS
I 0 2R PLO PS
2 0 2 1 2 s 2 T
2 I
2R PLO PS I1 Q 1 s2 T2 I2
按B=2.5Gbps, T=300K，RL=50等技术条件，计算可以得到：
PL 10mW : s2 2 1012 , T2 1.6 1012 , I2 3.11010
I2
s2 T2，BER 109 , Ps 30dBm,
BER 107 , Ps 31dBm
2 t 4 R 2 PS PL I homo
零差与外差方 式的光电流的 平均功率为
2 t 2 R 2 PS PL I hetero
散粒噪声与热噪声
S2 2qI I d f
4k bT f RL
2 T
4 R 2 Ps PL 2 IS t 2qRPL I d f 4kbTf / RL SNR 2 2 2 R 2 Ps PL S T 2qRPL I d f 4kbTf / RL
光电流和信噪比降低，影响BER和接收机灵敏度。采用偏振控制技术可以消除
这种影响，其中保偏光纤是最简单有效的方法。
• 色散的影响
相干系统中都使用单纵模窄线宽光源, 强度调制（如ASK）传输系统色散的影响远 没有IM/DD系统中严重. 光纤信道的色散对光这种超高频的电磁信号的相位和频率的影响是微乎其微的，
ASK 零差检测
PSK 零差检测 零差检测
外差检测 电非相干解调 电相干解调
相干检测的方式的比较
相干光通信的特点
优点： • 极高灵敏度，接近量子极限 • 超长传输距离 • 超宽带传输
缺点：
• 对光源线宽要求极高 • 对相位、频率、偏振稳定要求高 • 系统复杂，成本高
PSK 零差
NP 1 BER erfc( ) 2 2
FSK 外差
•同步相干接收的灵敏度 对比表 BER<10-9
调制格式
灵敏度 光子数 NP
ASK外差 ASK零差 PSK外差
ASK零差 FSK外差
IM/DD
72
36
18
9
36
10
•异步ASK
1 SNR exp( ) 2 8 NP 1 BER exp( ) 2 4 BER
因此在PSK和FSK相干光通信系统中，可以忽略光纤色散的影响。
4.5 相干光通信系统的性能
直接检测
12~15dB ASK外差 包络检测
FSK外差 包络检测 单滤波器 3dB FSK外差 包络检测 双滤波器 3dB DPSK 外差检测
ASK外差 同步解调
FSK外差 同步解调 单滤波器 3dB FSK外差 同步解调 双滤波器 3dB PSK 同步解调 3dB
交流项光电流 直接强度探测
I S t 2R PS t PL
I DD t RPS t
提高了
4PL / PS
零差 外差
I homo t 2R PS PL cosS L
I heterot 2R PS PL cosIF t S L
低通滤 “0”码 波器
解调FSK信号的双滤波器接收机
光纤 光发射机 光接收机 本振光
带通滤 波器 1bit 延迟
低通滤 波器
PSK信号的延迟解调方案
3）零差同步解调
ES
ELO
180° 光耦合器 180° 0°
E1
RL
E2
基带信号
本振激光器
VC
环路滤波器
平衡锁相环对激光器线宽的要求很高，允许的最大激光器线宽为=5.88×106Rb
ASK 外差
SNR 2 N P SNR 4 N P
NP 1 BER erfc ( ) 2 4 NP 1 BER erfc ( ) 2 2
ASK 零差
•同步PSK
1 BER erfc( N P ) 2 1 BER erfc( 2 N P ) 2
•同步FSK
PSK 外差
解调
1）外差同步解调
光纤 光发射机 光接收机 本振光 带通滤 波器 载波 恢复 低通滤 波器
2）外差异步解调
带通滤 波器 光接收机 本振光 包络检 测器 低通滤 波器
光纤 光发射机
“1”带 通滤波器 光纤 光发射机 光接收机 本振光 “0”带 通滤波器
包络检 测器
低通滤 “1”码 波器
包络检 测器
T2 I2 s2，BER 109 , Ps 32dBm,
BER 107 , Ps 34dBm
4.3 误码率与灵敏度 • 同步ASK
BER
1 Q erfc( ) 2 2
Q
I1 I 0 I 1 1 ( SNR)1/ 2 1 0 2 1 2
平衡探测技术
2013-3-29
15
零差灵敏度的计算
I1 I 0 Q 1 0
1 2 2 P0 ES ELO 2ELO ES cos( (t )) 2
P 180
，
1 2 2 ES ELO 2 ELO ES cos( (t )) 2
P0 P 180 2 ELO ES cos( (t ))
当PL=1mW时，即使本振的相对强度噪声低至RIN=-160dB/Hz，I已超过2dB 而普通的DFB激光器是很难达到RIN=-160dB/Hz的。 当PL=0.1mW时，为使I<2dB，对RIN的要求可放宽到-150dB/Hz。 若PL=10W，则功率代价可忽略
• 偏振失配的影响
两光场偏振方向不一致而存在夹角时，其干涉项将出现附加因子cos，导致
PS N P hB B 2 f R h
零差 外差
2 N P hB 2 4N P IS t h qf SNR 2 2 S T N P hB 2N P h qf
零差 外差
零差检测方式的信噪比要比外差检测方式高2倍（3dB）。
相干光零差检测
相干光外差检测
4.2 调制与解调
• ASK
为保证发射激光的频率和相位稳定，相干光发射机必须使用外调制技术 M-Z调制器，LiNbO3波导调制器
调 制
• PSK
LiNbO3相位调制器，PSK和DPSK